2018 년도한국철도학회추계계학술대회논문집 KSR2018F217 침목형선로전환기의고장예측시스템개발연구 Failure predict system development research of sleeper-integrated point machine 유성훈 *, 이형준 **, 김상현 ***, 창윤우 ****, 김재문 * Sung Hun Yu *, Hyoung Jun Lee **, Sang Hyeon Kim ***, Yoon Woo Chang ****, Jae Moon Kim * 초록용인경량전철에적용된침목형선로전환기는봄바르디어사에서제작된 EBI switch 2000 모델이다. NS 형선로전환기와는다르게침목기능을할수있고위치인식기능이포함되어있고, 전세계 63 개국가에서운영하고있다. 국내에서는유일하게경전철시스템에적용된편개분기기구조에서포인트및크로싱부분에선로전환기를적용되어있고설치부터현재 10 년을사용하고있으면서고장률이증가하고있다. 이에본논문에서는용인경량전철에적용된 EBI Switch 2000 모델에대하여소개하고고장을예측하는시스템대한개발하여운영중인사례를연구고자한다. 주요어 : 경전철, 침목형선로전환기, 고장예측시스템, 실시간계측시스템, 철도기술 1. 서론용인경전철과부산교통공사의 2호선에설치된침목형선로전환기는봄바르디어사에서제작한 EBIswitch 2000 모델이다. 전세계 63 개운영기관에서사용하고기온이낮은러시아의시베리아철도에서기온이높은말레이시아에서도사용하고있다. 1994년에개발되어스위스에처음적용하였고고속철도에서경전철까지광범위하게사용하고있다. 침목형선로전환기는침목의기능을하면서선로의분기기기능을할수있으며위치를인식하기위하여근접센서가설치되어있고위치인식으로해정, 동정, 쇄정기능을단계적으로수행한다. 용인경전철에서는본선에서는침목형선로전환기를차량기지에서는 NS형선로전환기를사용하고있다. 본논문에서는본선에적용된침목형선로전환기에대한소개와고장발생을효과적으로예측하기위한고장예측시스템개발에대해연구하여고장발생을사전에억제하고유지보수의신뢰성을향상하고자한다. * 네오트랜스 ( 주 ) 용인경전철본부 ** 네오트랜스 ( 주 ) PM 본부 *** 네오트랜스 ( 주 ) PM 본부 **** 한국교통대학교교통시스템공학과 교신저자 : 한국교통대학교교통시스템공학과 Fig. 1 용인경전철선로전환기
Fig. 2 EBI Switch 2000 JEA 93 2. 본론 2.1 EBI Switch 2000 모델에대한소개용인경량전철에적용된침목형선로전환기는선로의침목기능을위하여본체는침목이받는힘 (F) 보다 30% 높은하중에도변형이없게설계되어있다. 설치는침목처럼매립방식으로되어있고레일궤도와전기적으로절연이되어있다. Table1은 EBI switch 2000의사양을나타내었다. unit, Detection unit, Motor unit, FC(frequency converter), Connection rod, Cover로구성되어있다. Sleeper Box는침목의기능을수행할수있는구조로되어있다. Transmission Shaft는동력원인 Motor unit 과구동부인 Linear unit의중간에논문내용에대한책임은저자에게있으며설치되고동력을전달하는기능을한다. Linear unit은회전운동을직선운동으로변환하는기능을하고 Locking unit을움직이게한다. Detection unit은레일의밀착을감시하고내부리미트스위치로밀착상태를출력한다. 다음은선로전환기의각부분에대한도식이다. Table 1. EBI Switch 2000 Mechanical data Item Sleeper Size Cover Size Weight Locking Force Switch Rail pressure against stock rail Track Gauge Max Train Axle load Tolerance of rail movement Rail Insulation Swing Nose/ MovableFrog 4,450 x 300 mm 200 x 400 mm ~900kg 100kN 2.5kN 1,435 mm 32,000kg +/- 34 mm 2.5 kvac Fig. 3 선로전환기구성도 2.1.1 구조및기능 EBI Switch 2000 의구조는 Sleeper Box, Transmission Shaft, Linear unit, Locking Fig. 4 Sleeper Box
Fig. 10 포인트부선로전환기단면 Fig. 5 Connection Rod 선로전환기는신호기계실에서정위와반위신호를 220Vac의전원으로각각분리된전선으로입력된다. 선로전환기의동작이끝나면전원도상실된다. 입력된전원은 FC( 주파수변환기 ) 로가압되고제어전원과모터를구동하기위한구동전원으로사용된다. 전기적구성은 Fig. 11과같다. Fig. 6 Motor Unit Fig. 11 전기적구성 Fig. 7 Transmission Shaft 선로전환기의동작은 FC( 주파수변환기 ) 의내부프로그램에의하여잠김해제 ( 해정 ), 동정 ( 선로분기 ), 쇄정 ( 잠김 ) 으로 3단계로구성되고동작은 Fig. 12와같다. Fig. 8 Linear unit Fig. 12 동작구성 선로전환기의시작과끝은내부위치인식 센서에의하여 FC( 주파수변환기 ) 로입력되어 판단된다. 2.1.2 신뢰성및가용성 선로전환기의신뢰성및가용성사항은다 음과같다. Fig. 9 크로싱부선로전환기구성
- 신뢰성 * Fault Intensity: (failures/houre) * MTBF: 18 years - 가용성 * MTBM(Mean Time Between Maintenance): 346 Day * MTTR(Mean Time To Repair): 1.4 Hour * 가용성 (Availability) : 0.9998 2.2 용인경량전철운영현황 2.3 선로전환기고장예측시스템개발용인경량전철및부산교통공사 2호선에설치된침목형선로전환기의고장발생에대한주요고장은초기선로전환시불일치되고수번반복시일치되는현상을보이고있다. 영업운전이종료된후점검을수행시정상적인현상이반복되어고장분석에어려움이있었다. 점검을위하여침목형선로전환기 EBI Switch 2000 모델의특성을파악하기위하여전기적특성을측정한결과다음과같은부하패턴을보이는것을발견하였다. 용인경량전철에서는침목형선로전환기는회차구간인전대-에버랜드역과기흥역에 16 대 (8세트) 와중간역인삼가역과고진역에 20 대 (10세트) 가설치되어있다. Fig. 14 FC( 주파수변환기 ) 의입력전류량측정파형 Fig. 14는 FC( 주파수변환기 ) 의입력의전류량을측정한파형을나타낸다. 선로전환기의구간별동작에특정한패턴이존재하는것을파악하여기계적인특성과융합하여전류량및패턴에대한기준값을정의하고정상범위를선정하여측정값을실시간으로분석하고유지보수자에게보고되어특별예방정비를수행하도록한다. 2.3.1 계측시스템개발계측시스템은전류센서와계측기를이용하여개발하였고계측된자료는분석을자동화하기위하여 PC 기반으로구성하였다. 계측기로계측된자료는분석하기위하여다음과같이데이터변환을하여표본화하고자료를저장후분석및진단하여오류발생시계측원본자료를확인할수있게하였다. Fig. 13 용인경량전철선로전환기설치구성
Fig. 15 계측데이터실효치변환표본추출 레일의밀착검지정보는 Detection unit의리미트스위치의검지의상태변화시점의시간과동정구간의시작시점과종료시점과비교하여시간이짧게되면, 리미트스위치의유격이작아열차통과시진동에의하여검지상태가변화되어열차운행에영향을받을수있어서유격조정을권고하게된다. Point [A] 6 0-6 Real Data Point/RMS [A] -12-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [s] 2.0 A D 1.5 B C E RMS 1.0 F 0.5 0.0-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time [s] Fig. 17 표본화된패턴 Fig. 16 계측자료변환 2.3.2 고장진단및예측구간별로수집된자료는전류량, 패턴, 레일의밀착검지정보의 4가지정보를분석하여고장의종류를예측한다. 전류량에대한진단은예를들어, Fig. 18 에서 B구간은 FC( 주파수변환기 ) 의자가진단구간이다. 구간에서시간은 300ms로정의하고범위는 ±20ms이다. 자가진단구간동안전류값은 0.2A 이하가정상범위이나, 전류값이초과를한다면 FC ( 주파수변환기 ) 의제어회로에문제가발생한것으로판단하고교체를권고하게된다. 패턴에대한진단은구간에서측정된표본값이이전표본보다높거나낮은패턴을정의하게된다. 이는모터의구동부분의기계적결함 ( 잠김해제및잠김구간일경우 ) 이발생하거나동정시레일이동에대한기계적결함을진단하게된다. 다수의구간에서패턴의불일치가발생된다면모터의특성이변화됨을진단하고진단결과에따라점검한다. Fig. 18 표본화된패턴의동작신호검출레일의밀착검지정보는 Detection unit의리미트스위치의검지의상태변화시점의시간과동정구간의시작시점과종료시점과비교하여시간이짧게되면, 리미트스위치의유격이작아열차통과시진동에의하여검지상태가변화되어열차운행에영향을받을수있어서유격조정을권고하게된다. 2.3.3 유지보수에대한신뢰성확보이와같이실시간으로계측을하면, 점검전파형과점검후향상된파형을확인할수
있다. 점검후점검에대한신뢰성을확인하여점검자의실수를계측된자료를통하여방지할수있다. 3. 결론 본논문에서는침목형선로전환기에대한부하전류파형이동작별로정형화된패턴을발견하여이를고장분석과고장원인에대한진단을수행하는개발을진행하였다. 기계적특성이선로전환기개소마다차이점이있으나개소별로정의값을설정하게된다면해결될것으로보인다. 선로전환기의고장은열차운행에심각한영향을미치는장치이다. 실시간으로계측된자료를활용하여예방정비에활용한다면고장률감소에효과가있을것으로판단되며, 현재용인경량전철 1개소에설치하여활용한결과고장률감소에효과가있는것으로나타났다. 향후설치개소를확대하여실시간계측자료및고장률감소데이터를수집하는것이필요할것으로판단된다. 참고문헌 [1] 용인경량전철선로전환기유지보수지침서 ( 한국철도학회정기학술대회 Full Paper -Template 작성일 : 2018.6.28)